Cytokinese bei Arabidopsis: Cytokinetische Vesikel, Frachtproteine und Fusionsmaschinerie

• Antragsteller: Professor Dr. Gerd Jürgens
• Fachliche Zuordnung: Zell- und Entwicklungsbiologie der Pflanzen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 516734699

Bei der Cytokinese von Pflanzen entsteht die Teilungsmembran (Zellplatte) durch gerichteten Transport von sekretorischen Vesikeln entlang eines dynamischen Cytoskelettgerüsts (Phragmoplast) zur Zellteilungsebene, wo diese Vesikel miteinander und später mit dem Rand der sich lateral ausdehnenden Zellplatte fusionieren. Die Zellplatte durchläuft einen Reifungsprozess, wozu auch die schrittweise Synthese und Assemblierung der neu zu bildenden Zellwand gehört. An den Membranfusionen sind bestimmte Qa-SNARE-Proteine (KNOLLE, SYP132) beteiligt, die mit ihren Partnern trans-SNARE-Komplexe bilden. Was für Fracht-Proteine durch die cytokinetischen Vesikel transportiert werden und welche Rolle sie jeweils bei der Cytokinese spielen, ist wenig bekannt. In der laufenden Förderperiode (JU 179/24-1) haben wir methodische Grundlagen geschaffen, um Frachtproteine von cytokinetischen Vesikeln mittels Immunpräzipitation und anschließender Massenspektrometrie zu identifizieren. Von 250 Kandidaten, die auf KNOLLE-markierten Vesikeln, SYP132-markierten Vesikeln oder in beiden Gruppen detektiert wurden, haben wir vorerst 17 membranständige Proteine, deren Gene während der G2/M-Phase des Zellzyklus exprimiert werden, für eine weitergehende Analyse in transgenen Pflanzen ausgewählt.(1) Ein erstes wesentliches Ziel des Vorhabens ist es, die Frage zu beantworten, ob es nur eine Population von cytokinetischen Vesikeln gibt oder ob verschiedene Populationen vorkommen. Es ist z. B. denkbar, dass Vesikel mit spezifischen SNARE-Komplexen nur bestimmte Frachtproteine transportieren. Oder es könnten neu synthetisierte Frachtproteine auf anderen Vesikeln transportiert werden als Frachtproteine, die von der Plasmamembran endocytiert und dann zur Teilungsebene transportiert werden. (2) Ein weiteres Ziel ist es, die schon identifizierten (sowie weitere) Frachtproteine auf ihre funktionelle oder strukturelle Beteiligung an der Cytokinese zu untersuchen. Vorrang werden dabei membranständige Proteine haben, die speziell während der G2/M-Phase synthetisiert werden. Es sollen Knockout-Mutanten erzeugt und mit Hilfe von geeigneten subzellulären Markern sowie ultrastrukturell auf mögliche Defekte in der Cytokinese analysiert werden. Darüber hinaus sollen mit ihnen interagierende Proteine identifiziert werden. (3) Außerdem werden weitere Strategien erprobt, um cytokinetische Fracht-Proteine zu erfassen. So soll der Anteil von cytokinetischen Zellen im Ausgangsmaterial für das IP-MS-Verfahren erhöht werden. Zusätzlich werden wir einen ganz anderen Ansatz verfolgen. Dabei werden vorhandene Datensätze an G2/M-Phase-spezifisch exprimierten Genen darauf durchsucht, ob Gene für membranständige Proteine kodieren und ob in ihren Promotersequenzen so genannte MSA-Elemente ("mitosis-specific activator" ) vorkommen. Wiederum werden wir uns vorrangig auf Proteine konzentrieren, deren Funktion nicht bekannt ist, deren Sequenz aber evolutionär konserviert zu sein scheint.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen